Kapillarelektrophorese

Die Kapillarelektrophorese trennt Ionen und geladene Spezies durch ihre Wanderung in einem elektrischen Feld innerhalb einer engen, mit Puffer gefüllten Kapillare.

Definition

Die Kapillarelektrophorese ist eine Trenntechnik, bei der Analyten unter einem angelegten elektrischen Feld durch eine mit Puffer gefüllte Kapillare wandern und sich entsprechend ihrer elektrophoretischen Mobilität, überlagert vom elektroosmotischen Fluss, trennen.

Scope

Dieses Thema behandelt elektrisch betriebene Trennungen, die in Kapillaren aus Quarzglas durchgeführt werden: Kapillarzonenelektrophorese und verwandte Modi, die Rolle des elektroosmotischen Flusses, die On-Capillary-Detektion und die hohe Effizienz, die diese Methoden erreichen. Es behandelt die Trennung basierend auf dem Ladungs-zu-Größen-Verhältnis und nicht auf der Phasenverteilung sowie deren Anwendung auf Ionen, Biomoleküle und chirale Analyten.

Core questions

• Wie bestimmen elektrophoretische Mobilität und elektroosmotischer Fluss gemeinsam die Migrationszeit?
• Warum erreicht die Kapillarelektrophorese eine so hohe Trenneffizienz?
• Welche Detektionsschemata sind mit den geringen Abmessungen einer Kapillare kompatibel?
• Welche Analytklassen eignen sich am besten für die elektrophoretische statt für die chromatographische Trennung?

Key theories

Elektrophoretische Migration und elektroosmotischer Fluss

Jeder geladene Analyt bewegt sich mit einer Geschwindigkeit, die durch seine elektrophoretische Mobilität bestimmt wird, während der gesamte Puffer durch den elektroosmotischen Fluss, der von der geladenen Kapillarwand ausgeht, zu einer Elektrode hin mitgerissen wird; die Summe dieser Geschwindigkeiten bestimmt die Migrationszeit und führt, da der Fluss nahezu flach und nicht parabolisch ist, zu einer sehr hohen Effizienz.

Mechanisms

Eine enge Kapillare aus Quarzglas wird mit einem Puffer gefüllt und eine hohe Spannung angelegt. Die ionisierten Silanolgruppen an der Wand erzeugen einen elektroosmotischen Fluss, der die gesamte Lösung am Detektor vorbeiführt, während die eigene elektrophoretische Mobilität jedes Analyten zu dieser Bewegung addiert oder subtrahiert wird. Analyten erreichen daher den Detektionspunkt zu Zeiten, die durch ihr Ladungs-zu-Größen-Verhältnis bestimmt werden, und das flache Flussprofil erzeugt extrem schmale Zonen und hohe Bodenzahlen.

Clinical relevance

Die Kapillarelektrophorese wird häufig für Nukleinsäure-Trennungen, einschließlich DNA-Sequenzierung und Fragmentanalyse, Protein- und Peptidanalyse, klinische Bestimmung von Serumproteinen und Ionen, pharmazeutische und chirale Analyse sowie für Proben mit geringem Volumen eingesetzt, bei denen ihr minimaler Verbrauch vorteilhaft ist.

History

Die Elektrophorese als Analysetechnik wurde in den 1930er Jahren von Arne Tiselius etabliert. Jorgenson und Lukacs' Demonstration der Zonenelektrophorese in offenen Quarzglaskapillaren im Jahr 1981 zeigte, dass die in engen Kapillaren möglichen hohen Feldstärken außergewöhnlich effiziente Trennungen ermöglichten, was die moderne Kapillarelektrophorese und ihre zentrale Rolle bei der automatisierten DNA-Sequenzierung einleitete.

Key figures

• James W. Jorgenson
• Krynn D. Lukacs
• Arne Tiselius

Seminal works

• jorgenson1981
• skoog2017

Frequently asked questions

Wie unterscheidet sich die Kapillarelektrophorese von der Chromatographie?

Die Chromatographie trennt durch differentielle Verteilung zwischen zwei Phasen, während die Kapillarelektrophorese geladene Spezies durch ihre Wanderung in einem elektrischen Feld trennt, sodass sie vom Ladungs-zu-Größen-Verhältnis und nicht von der chemischen Affinität zu einer stationären Phase abhängt.

Was ist der elektroosmotische Fluss?

Es ist die Volumenbewegung des Puffers durch die Kapillare, die durch das angelegte Feld verursacht wird, das auf Ionen in der Nähe der geladenen Kapillarwand wirkt; er transportiert sogar neutrale und entgegengesetzt geladene Spezies zum Detektor und bestimmt weitgehend die gesamte Migrationsrichtung.